¿De qué depende el calentamiento del aire? Sistemas de calefacción por aire. Cálculo preliminar de la superficie de calentamiento de la boquilla.

Calefacción aerodinámica

calentamiento de cuerpos que se mueven a alta velocidad en aire u otro gas. Un. - el resultado del hecho de que las moléculas de aire que inciden sobre el cuerpo se desaceleran cerca del cuerpo.

Si el vuelo se realiza a la velocidad supersónica de los cultivos, el frenado se produce principalmente en la onda de choque (Ver onda de choque) , ocurriendo frente al cuerpo. La desaceleración adicional de las moléculas de aire ocurre directamente en la superficie misma del cuerpo, en capa límite (Ver capa límite). Cuando las moléculas de aire se desaceleran, su energía térmica aumenta, es decir, la temperatura del gas cerca de la superficie del cuerpo en movimiento aumenta, la temperatura máxima a la que se puede calentar el gas en la vecindad del cuerpo en movimiento está cerca de la llamada . temperatura de frenado:

T 0 = T norte + v 2 /2c p ,

donde Tn- temperatura del aire entrante, v- velocidad de vuelo del cuerpo c.p. es la capacidad calorífica específica del gas a presión constante. Entonces, por ejemplo, al volar un avión supersónico a tres veces la velocidad del sonido (alrededor de 1 km/s) la temperatura de estancamiento es de unos 400°C, y cuando la nave entra en la atmósfera terrestre con la primera velocidad cósmica (8.1 km/s) la temperatura de estancamiento alcanza los 8000 °C. Si en el primer caso, durante un vuelo suficientemente largo, la temperatura de la piel del avión alcanza valores cercanos a la temperatura de estancamiento, en el segundo caso, la superficie de la nave espacial inevitablemente comenzará a colapsar debido a la incapacidad del materiales para soportar temperaturas tan altas.

El calor se transfiere desde las regiones de un gas con una temperatura elevada a un cuerpo en movimiento y se produce un calentamiento aerodinámico. Hay dos formas A. n. - convección y radiación. El calentamiento por convección es una consecuencia de la transferencia de calor desde la parte exterior "caliente" de la capa límite hasta la superficie del cuerpo. Cuantitativamente, el flujo de calor convectivo se determina a partir de la relación

q k = un(Te -T w),

donde te - temperatura de equilibrio (la temperatura límite a la que la superficie del cuerpo podría calentarse si no hubiera eliminación de energía), T w - temperatura superficial real, a- coeficiente transferencia de calor por convección, dependiendo de la velocidad y altitud del vuelo, la forma y tamaño del cuerpo, así como de otros factores. La temperatura de equilibrio está cerca de la temperatura de estancamiento. Tipo de dependencia del coeficiente pero de los parámetros enumerados está determinado por el régimen de flujo en la capa límite (laminar o turbulento). En el caso de flujo turbulento, el calentamiento por convección se vuelve más intenso. Esto se debe al hecho de que, además de la conductividad térmica molecular, las fluctuaciones de velocidad turbulenta en la capa límite comienzan a desempeñar un papel importante en la transferencia de energía.

A medida que aumenta la velocidad de vuelo, aumenta la temperatura del aire detrás de la onda de choque y en la capa límite, lo que da como resultado la disociación y la ionización. moléculas. Los átomos, iones y electrones resultantes se difunden a una región más fría, a la superficie del cuerpo. Hay una reacción inversa (recombinación) , va con la liberación de calor. Esto hace una contribución adicional a la convectiva A. n.

Al alcanzar la velocidad de vuelo de aproximadamente 5000 Sra la temperatura detrás de la onda de choque alcanza valores en los que el gas comienza a irradiar. Debido a la transferencia radiante de energía desde áreas con temperatura elevada a la superficie del cuerpo, se produce un calentamiento por radiación. En este caso, la radiación en las regiones visible y ultravioleta del espectro juega el papel más importante. Al volar en la atmósfera terrestre a velocidades por debajo de la primera velocidad espacial (8.1 km/s) el calentamiento por radiación es pequeño en comparación con el calentamiento por convección. A la segunda velocidad espacial (11,2 km/s) sus valores se vuelven cercanos, y a velocidades de vuelo de 13-15 km/s y superiores, correspondientes al regreso a la Tierra tras vuelos a otros planetas, el principal aporte lo realiza el calentamiento radiativo.

Un papel particularmente importante de A. n. se reproduce cuando la nave espacial regresa a la atmósfera terrestre (por ejemplo, Vostok, Voskhod, Soyuz). Para combatir A. n. las naves espaciales están equipadas con sistemas especiales de protección térmica (ver Protección térmica).

Iluminado.: Fundamentos de la transferencia de calor en aviación y tecnología de cohetes, M., 1960; Dorrens W. Kh., Flujos hipersónicos de gas viscoso, trad. del inglés, M., 1966; Zeldovich Ya. B., Raiser Yu. P., Física de ondas de choque y fenómenos hidrodinámicos de alta temperatura, 2.ª ed., M., 1966.

N. A. Anfimov.

Gran enciclopedia soviética. - M.: Enciclopedia soviética. 1969-1978 .

Vea qué es "Calefacción aerodinámica" en otros diccionarios:

Calentamiento de cuerpos que se mueven a gran velocidad en aire u otro gas. Un. el resultado del hecho de que las moléculas de aire que inciden sobre el cuerpo son desaceleradas cerca del cuerpo. Si el vuelo se realiza con supersónico. velocidad, el frenado se produce principalmente en choque ... ... Enciclopedia Física

Calentamiento de un cuerpo que se mueve a gran velocidad en el aire (gas). Se observa un notable calentamiento aerodinámico cuando el cuerpo se mueve a una velocidad supersónica (por ejemplo, cuando las ojivas de los aviones intercontinentales misiles balísticos) EdwART. ... ... Diccionario marino

calefacción aerodinámica- Calentamiento de la superficie de un cuerpo aerodinámico con gas, moviéndose en un medio gaseoso a alta velocidad en presencia de convección, ya velocidades hipersónicas e intercambio de calor radiativo con el medio gaseoso en la capa límite o de choque. [GOST 26883… … Manual del traductor técnico

Un aumento en la temperatura de un cuerpo que se mueve a gran velocidad en el aire u otro gas. El calentamiento aerodinámico es el resultado de la desaceleración de las moléculas de gas cerca de la superficie del cuerpo. Entonces, cuando una nave espacial ingresa a la atmósfera terrestre a una velocidad de 7.9 km / s ... ... diccionario enciclopédico

calefacción aerodinámica- aerodinaminis įšilimas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Kūnų, judančių dujose (ore) dideliu greičiu, paviršiaus įšilimas. atitikmenys: ingl. calefacción aerodinámica vok. aerodynamische Aufheizung, f rus. calefacción aerodinámica, m pranc.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas- un aumento en la temperatura de un cuerpo que se mueve a gran velocidad en el aire u otro gas. A. i. el resultado de la desaceleración de las moléculas de gas cerca de la superficie del cuerpo. Así, a la entrada de lo cósmico. aparato en la atmósfera terrestre a una velocidad de 7,9 km / s, la tasa de aire en la superficie pa ... Ciencias Naturales. diccionario enciclopédico

Calentamiento aerodinámico de la estructura del cohete.- Calentamiento de la superficie del cohete durante su movimiento en capas densas de la atmósfera a alta velocidad. Un. - el resultado del hecho de que las moléculas de aire que inciden en un cohete se desaceleran cerca de su cuerpo. En este caso, se produce la transferencia de energía cinética ... ... Enciclopedia de las Fuerzas de Misiles Estratégicos

Concorde Concorde en el aeropuerto ... Wikipedia

- dispositivos utilizados para calentar aire en sistemas de ventilación de suministro, sistemas de aire acondicionado, calefacción de aire, así como en instalaciones de secado.

Según el tipo de refrigerante, los calentadores pueden ser de fuego, agua, vapor y eléctricos. .

Los más difundidos en la actualidad son los calentadores de agua y de vapor, que se dividen en de tubo liso y acanalados; estos últimos, a su vez, se dividen en lamelares y espirales.

Distinguir entre calentadores de paso único y paso múltiple. En paso simple, el refrigerante se mueve a través de los tubos en una dirección, y en paso múltiple, cambia la dirección de movimiento varias veces debido a la presencia de particiones en las tapas de los colectores (Fig. XII.1).

Los calentadores realizan dos modelos: mediano (C) y grande (B).

El consumo de calor para calentar el aire está determinado por las fórmulas:

donde Q"— consumo de calor para calentamiento de aire, kJ/h (kcal/h); q- lo mismo, W; 0,278 es el factor de conversión de kJ/h a W; GRAMO- cantidad de masa de aire calentado, kg / h, igual a Lp [aquí L- cantidad volumétrica de aire calentado, m 3 / h; p es la densidad del aire (a una temperatura TK), kg/m3]; desde- capacidad calorífica específica del aire, igual a 1 kJ / (kg-K); t k - temperatura del aire después del calentador, ° С; tn— temperatura del aire antes del calentador de aire, °C.

Para calentadores de la primera etapa de calefacción, la temperatura tn es igual a la temperatura del aire exterior.

Se supone que la temperatura del aire exterior es igual a la temperatura de ventilación calculada (parámetros climáticos de categoría A) cuando se diseña una ventilación general diseñada para combatir el exceso de humedad, calor y gases, cuyo MPC es superior a 100 mg/m3. Cuando se diseñe ventilación general diseñada para combatir gases cuyo MPC sea inferior a 100 mg/m3, así como cuando se diseñe ventilación de suministro para compensar el aire extraído a través de extractores locales, campanas de proceso o sistemas de transporte neumático, se supone que la temperatura del aire exterior es igual a la temperatura exterior calculada tn para el diseño de calefacción (parámetros climáticos categoría B).

En una habitación sin excedentes de calor, se debe suministrar aire de suministro con una temperatura igual a la temperatura del aire interior t² para esta habitación. En presencia de exceso de calor, el aire de suministro se suministra a una temperatura reducida (de 5 a 8 ° C). No se recomienda suministrar aire de impulsión a la habitación con una temperatura inferior a 10 °C, incluso en presencia de emisiones de calor significativas debido a la posibilidad de resfriados. La excepción es el uso de anemostatos especiales.

El área de superficie requerida para calentar calentadores Fк m2, está determinada por la fórmula:

donde q— consumo de calor para calentamiento de aire, W (kcal/h); PARA- coeficiente de transferencia de calor del calentador, W / (m 2 -K) [kcal / (h-m 2 - ° C)]; t cf.T.— temperatura media del refrigerante, 0 С; t rv es la temperatura media del aire calentado que pasa por el calentador, °C, igual a (tn + tc)/2.

Si el refrigerante es vapor, entonces la temperatura promedio del refrigerante tav.T. es igual a la temperatura de saturación a la presión de vapor correspondiente.

Para la temperatura del agua tav.T. se define como la media aritmética de las temperaturas del agua caliente y de retorno:

El factor de seguridad 1.1-1.2 tiene en cuenta la pérdida de calor para el enfriamiento del aire en los conductos de aire.

El coeficiente de transferencia de calor de los calentadores K depende del tipo de refrigerante, la velocidad de masa del movimiento del aire vp a través del calentador, las dimensiones geométricas y las características de diseño de los calentadores, la velocidad del movimiento del agua a través de los tubos del calentador.

La velocidad de la masa se entiende como la masa de aire, kg, que pasa a través de 1 m2 de la sección habitable del calentador de aire en 1 s. La velocidad de masa vp, kg/(cm2), está determinada por la fórmula

De acuerdo con el área de la sección abierta fЖ y la superficie de calentamiento FK, se seleccionan el modelo, la marca y la cantidad de calentadores. Después de elegir los calentadores, la velocidad de la masa del aire se especifica de acuerdo con el área real de la sección abierta del calentador fD de este modelo:

donde A, A 1 , n, n 1 y T- coeficientes y exponentes, dependiendo del diseño del calentador

La velocidad del movimiento del agua en los tubos del calentador ω, m/s, está determinada por la fórmula:

donde Q "es el consumo de calor para calentar el aire, kJ / h (kcal / h); rw es la densidad del agua, igual a 1000 kg / m3, sv es la capacidad calorífica específica del agua, igual a 4,19 kJ / (kg -K); fTP - área abierta para el paso del refrigerante, m2, tg - temperatura agua caliente en la línea de suministro, ° С; t 0 - temperatura del agua de retorno, 0С.

La transferencia de calor de los calentadores se ve afectada por el esquema de vincularlos con tuberías. Con un esquema paralelo para conectar tuberías, solo una parte del refrigerante pasa a través de un calentador separado, y con un esquema secuencial, todo el flujo de refrigerante pasa a través de cada calentador.

La resistencia de los calentadores al paso del aire p, Pa, se expresa mediante la siguiente fórmula:

donde B y z son el coeficiente y el exponente, que dependen del diseño del calentador.

La resistencia de los calentadores ubicados en serie es igual a:

donde m es el número de calentadores ubicados sucesivamente. El cálculo finaliza con una verificación de la salida de calor (transferencia de calor) de los calentadores de acuerdo con la fórmula

donde QK - transferencia de calor de calentadores, W (kcal / h); QK - lo mismo, kJ/h, 3,6 - factor de conversión W a kJ/h FK - área de superficie de calentamiento de los calentadores, m2, tomada como resultado del cálculo de calentadores de este tipo; K - coeficiente de transferencia de calor de los calentadores, W/(m2-K) [kcal/(h-m2-°C)]; tav.v - la temperatura promedio del aire calentado que pasa a través del calentador, °C; tav. T es la temperatura media del refrigerante, °С.

Al seleccionar calentadores, el margen para la superficie de calentamiento estimada se toma en el rango de 15 - 20%, para la resistencia al paso del aire - 10% y para la resistencia al movimiento del agua - 20%.

La humanidad conoce pocos tipos de energía: energía mecánica (cinética y potencial), energía interna (térmica), energía de campo (gravitatoria, electromagnética y nuclear), química. Por separado, cabe destacar la energía de la explosión,...

Energía del vacío y todavía existente solo en teoría: energía oscura. En este artículo, el primero de la sección "Ingeniería del calor", intentaré en un lenguaje sencillo y accesible, utilizando un ejemplo práctico, hablar sobre la forma de energía más importante en la vida de las personas: sobre energía térmica y sobre dar a luz a ella en el tiempo energía térmica.

Unas pocas palabras para entender el lugar de la ingeniería térmica como rama de la ciencia de obtención, transferencia y uso de energía térmica. La ingeniería térmica moderna ha surgido de la termodinámica general, que a su vez es una de las ramas de la física. La termodinámica es literalmente "caliente" más "poder". Así, la termodinámica es la ciencia del "cambio de temperatura" de un sistema.

El impacto en el sistema desde el exterior, en el que cambia su energía interna, puede ser el resultado de la transferencia de calor. Energía térmica, que el sistema gana o pierde como resultado de tal interacción con el medio ambiente, se llama cantidad de calor y se mide en el sistema SI en Joules.

Si usted no es un ingeniero térmico y no se ocupa de los problemas de ingeniería térmica a diario, cuando los encuentre, a veces sin experiencia puede ser muy difícil resolverlos rápidamente. Es difícil imaginar incluso las dimensiones de los valores deseados de la cantidad de calor y potencia térmica sin experiencia. ¿Cuántos julios de energía se necesitan para calentar 1000 metros cúbicos de aire de -37˚С a +18˚С?... ¿Cuál es la potencia de la fuente de calor necesaria para hacer esto en 1 hora? preguntas dificiles lejos de todos los ingenieros son capaces de responder "de buenas a primeras" hoy. A veces, los expertos incluso recuerdan las fórmulas, ¡pero solo unos pocos pueden ponerlas en práctica!

Después de leer este artículo hasta el final, podrá resolver fácilmente tareas domésticas y de producción reales relacionadas con la calefacción y refrigeración de diversos materiales. ¡Comprender la esencia física de los procesos de transferencia de calor y el conocimiento de fórmulas básicas simples son los bloques principales en la base del conocimiento en ingeniería térmica!

La cantidad de calor en varios procesos físicos.

La mayoría de las sustancias conocidas pueden diferentes temperaturas y presión para estar en estado sólido, líquido, gaseoso o de plasma. Transición de un estado agregado a otro tiene lugar a temperatura constante(siempre que la presión y otros parámetros no cambien ambiente) y se acompaña de absorción o liberación de energía térmica. A pesar de que el 99% de la materia del Universo se encuentra en estado de plasma, no consideraremos este estado de agregación en este artículo.

Considere el gráfico que se muestra en la figura. Muestra la dependencia de la temperatura de una sustancia. T sobre la cantidad de calor q, resumido en un cierto sistema cerrado que contiene una cierta masa de una sustancia particular.

1. Un sólido que tiene una temperatura T1, calentado a una temperatura Tm, gastando en este proceso una cantidad de calor igual a Q1 .

2. A continuación, comienza el proceso de fusión, que se produce a una temperatura constante. Tpl(punto de fusion). Para fundir toda la masa de un sólido, es necesario gastar energía térmica en la cantidad Q2 — Q1 .

3. A continuación, el líquido resultante de la fusión de un sólido se calienta hasta el punto de ebullición (formación de gas) Tkp, gastando en esta cantidad de calor igual a Q3-Q2 .

4. Ahora en un punto de ebullición constante Tkp el líquido hierve y se evapora, convirtiéndose en gas. Para convertir toda la masa de líquido en gas, es necesario gastar energía térmica en cantidad Q4-Q3.

5. En la última etapa, el gas se calienta desde la temperatura Tkp hasta cierta temperatura T2. En este caso, el costo de la cantidad de calor será P5-Q4. (Si calentamos el gas a la temperatura de ionización, el gas se convertirá en plasma).

Así, calentando el sólido original desde la temperatura T1 hasta la temperatura T2 gastamos energía térmica en la cantidad P5, traduciendo la sustancia a través de tres estados de agregación.

Moviéndonos en la dirección opuesta, quitaremos la misma cantidad de calor de la sustancia. P5, pasando por las etapas de condensación, cristalización y enfriamiento desde la temperatura T2 hasta la temperatura T1. Por supuesto, estamos considerando un sistema cerrado sin pérdidas de energía al ambiente externo.

Tenga en cuenta que la transición del estado sólido al estado gaseoso es posible, sin pasar por la fase líquida. Este proceso se llama sublimación, y el proceso inverso se llama desublimación.

Entonces, hemos entendido que los procesos de transición entre los estados agregados de una sustancia se caracterizan por el consumo de energía a temperatura constante. Cuando se calienta una sustancia, que se encuentra en un estado de agregación sin cambios, la temperatura aumenta y también se consume energía térmica.

Las principales fórmulas para la transferencia de calor.

Las fórmulas son muy simples.

cantidad de calor q en J se calcula mediante las fórmulas:

1. Desde el lado del consumo de calor, es decir, desde el lado de la carga:

1.1. Al calentar (enfriar):

q = metro * C *(T2-T1)

metro – masa de sustancia en kg

desde - capacidad calorífica específica de una sustancia en J / (kg * K)

1.2. Al derretir (congelar):

q = metro * λ

λ – calor específico de fusión y cristalización de una sustancia en J/kg

1.3. Durante la ebullición, evaporación (condensación):

q = metro * r

r – calor específico de formación de gas y condensación de la materia en J/kg

2. Del lado de la producción de calor, es decir, del lado de la fuente:

2.1. Al quemar combustible:

q = metro * q

q – calor específico de combustión del combustible en J/kg

2.2. Al convertir la electricidad en energía térmica (ley de Joule-Lenz):

Q =t *I *U =t *R *I ^2=(t /r)*t^2

t – tiempo en s

I – valor actual en A

tu – voltaje rms en V

R – resistencia de carga en ohmios

Concluimos que la cantidad de calor es directamente proporcional a la masa de la sustancia durante todas las transformaciones de fase y, cuando se calienta, es además directamente proporcional a la diferencia de temperatura. Coeficientes de proporcionalidad ( C , λ , r , q ) para cada sustancia tienen sus propios valores y se determinan empíricamente (tomados de libros de referencia).

Energía térmica norte en W es la cantidad de calor transferido al sistema en un tiempo determinado:

N=Q/t

Cuanto más rápido queramos calentar el cuerpo a una temperatura determinada, mayor será la potencia que debe tener la fuente de energía térmica; todo es lógico.

Cálculo en Excel tarea aplicada.

En la vida, a menudo es necesario hacer un cálculo estimado rápido para comprender si tiene sentido continuar estudiando un tema, hacer un proyecto y cálculos detallados y precisos que requieren mucha mano de obra. Habiendo hecho un cálculo en unos pocos minutos incluso con una precisión de ± 30%, puede tomar una importante decisión gerencial, que será 100 veces más barato y 1000 veces más eficiente y, como resultado, 100 000 veces más eficiente que hacer un cálculo preciso durante una semana, o incluso un mes, por un grupo de especialistas caros...

Condiciones del problema:

En las instalaciones del taller para la preparación de metal laminado con dimensiones de 24 mx 15 mx 7 m, importamos metal laminado de un almacén en la calle en la cantidad de 3 toneladas. El metal laminado tiene hielo con una masa total de 20 kg. Exterior -37˚С. ¿Qué cantidad de calor se necesita para calentar el metal a + 18˚С; calentar el hielo, derretirlo y calentar el agua hasta +18˚С; calentar todo el volumen de aire en la habitación, suponiendo que la calefacción se apagó por completo antes de eso? ¿Qué potencia debe tener el sistema de calefacción si todo lo anterior debe completarse en 1 hora? (Condiciones muy duras y casi irreales, ¡especialmente con respecto al aire!)

Realizaremos el cálculo en el programa.ms excel o en el programaOo calc.

Para el formato de color de celdas y fuentes, consulte la página "".

Datos iniciales:

1. Escribimos los nombres de las sustancias:

a la celda D3: Acero

a la celda E3: Hielo

a la celda F3: agua congelada

a la celda G3: Agua

a la celda G3: Aire

2. Ingresamos los nombres de los procesos:

en las celdas D4, E4, G4, G4: calor

a la celda F4: derritiendo

3. Capacidad calorífica específica de las sustancias. C en J / (kg * K) escribimos para acero, hielo, agua y aire, respectivamente

a la celda D5: 460

a la celda E5: 2110

a la celda G5: 4190

a la celda H5: 1005

4. Calor específico de fusión del hielo. λ en J/kg entrar

a la celda F6: 330000

5. Masa de sustancias metro en kg ingresamos, respectivamente, para acero y hielo

a la celda D7: 3000

a la celda E7: 20

Como la masa no cambia cuando el hielo se convierte en agua,

en las celdas F7 y G7: =E7 =20

La masa de aire se encuentra multiplicando el volumen de la habitación por la gravedad específica

en la celda H7: =24*15*7*1,23 =3100

6. Tiempo de procesamiento t en minutos escribimos solo una vez para acero

a la celda D8: 60

Los valores de tiempo para calentar el hielo, su fusión y calentar el agua resultante se calculan a partir de la condición de que estos tres procesos deben sumarse al mismo tiempo que el tiempo asignado para calentar el metal. Leemos en consecuencia

en la celda E8: =E12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,7

en la celda F8: =F12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =41,0

en la celda G8: =G12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,4

El aire también debería calentarse en el mismo tiempo asignado, leemos

en la celda H8: =D8 =60,0

7. La temperatura inicial de todas las sustancias. T1 en ˚C ingresamos

a la celda D9: -37

a la celda E9: -37

a la celda F9: 0

a la celda G9: 0

a la celda H9: -37

8. Temperatura final de todas las sustancias. T2 en ˚C ingresamos

a la celda D10: 18

a la celda E10: 0

a la celda F10: 0

a la celda G10: 18

a la celda H10: 18

Creo que no debería haber ninguna pregunta sobre los puntos 7 y 8.

Resultados del cálculo:

9. cantidad de calor q en KJ necesarios para cada uno de los procesos que calculamos

para calentar acero en la celda D12: =D7*D5*(D10-D9)/1000 =75900

para calentar hielo en la celda E12: =E7*E5*(E10-E9)/1000 = 1561

para derretir hielo en la celda F12: =F7*F6/1000 = 6600

para calentamiento de agua en celda G12: =G7*G5*(G10-G9)/1000 = 1508

para calentamiento de aire en celda H12: =H7*H5*(H10-H9)/1000 = 171330

Se lee la cantidad total de energía térmica requerida para todos los procesos.

en la celda combinada D13E13F13G13H13: =SUMA(D12:H12) = 256900

En las celdas D14, E14, F14, G14, H14 y la celda combinada D15E15F15G15H15, la cantidad de calor se da en una unidad de medida de arco, en Gcal (en gigacalorías).

10. Energía térmica norte en kW, requeridos para cada uno de los procesos se calcula

para calentamiento de acero en celda D16: =D12/(D8*60) =21,083

para calentar hielo en la celda E16: =E12/(E8*60) = 2,686

para derretir hielo en la celda F16: =F12/(F8*60) = 2,686

para calentamiento de agua en celda G16: =G12/(G8*60) = 2,686

para calentamiento de aire en celda H16: =H12/(H8*60) = 47,592

La potencia térmica total requerida para realizar todos los procesos en un tiempo t calculado

en la celda combinada D17E17F17G17H17: =D13/(D8*60) = 71,361

En las celdas D18, E18, F18, G18, H18 y la celda combinada D19E19F19G19H19, la potencia térmica se proporciona en una unidad de medida de arco, en Gcal / h.

Esto completa el cálculo en Excel.

Conclusiones:

Tenga en cuenta que se necesita más del doble de energía para calentar el aire que para calentar la misma masa de acero.

Al calentar agua, los costos de energía son el doble que al calentar hielo. El proceso de fusión consume muchas veces más energía que el proceso de calentamiento (con una pequeña diferencia de temperatura).

Calentar agua consume diez veces más energía térmica que calentar acero y cuatro veces más que calentar aire.

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Recordamos los conceptos de “cantidad de calor” y “potencia térmica”, consideramos las fórmulas fundamentales para la transferencia de calor y analizamos un ejemplo práctico. Espero que mi lenguaje haya sido simple, comprensible e interesante.

Espero preguntas y comentarios sobre el artículo!

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Las investigaciones llevadas a cabo a finales de los años 40 y 50 permitieron desarrollar una serie de soluciones aerodinámicas y tecnológicas que garantizan la superación segura de la barrera del sonido incluso por aviones de producción. Entonces pareció que la conquista de la barrera del sonido crea posibilidades ilimitadas para un mayor aumento en la velocidad de vuelo. En solo unos pocos años, volaron alrededor de 30 tipos de aviones supersónicos, de los cuales un número significativo se puso en producción en masa.

La variedad de soluciones utilizadas ha llevado al hecho de que muchos de los problemas asociados con volar a altas velocidades supersónicas se han estudiado y resuelto exhaustivamente. Sin embargo, se encontraron nuevos problemas, mucho más complejos que la barrera del sonido. Son causados por el calentamiento de la estructura. aeronave al volar a gran velocidad en capas densas de la atmósfera. Este nuevo obstáculo una vez fue llamado la barrera térmica. A diferencia de la barrera del sonido, la nueva barrera no puede caracterizarse por una constante similar a la velocidad del sonido, ya que depende tanto de los parámetros de vuelo (velocidad y altitud) como del diseño del fuselaje (soluciones constructivas y materiales utilizados), y de el equipamiento de la aeronave (aire acondicionado, sistemas de refrigeración, etc.). P.). Por lo tanto, el concepto de "barrera térmica" incluye no solo el problema del calentamiento peligroso de la estructura, sino también cuestiones como la transferencia de calor, las propiedades de resistencia de los materiales, los principios de diseño, el aire acondicionado, etc.

El calentamiento de la aeronave en vuelo se produce principalmente por dos motivos: por el frenado aerodinámico del flujo de aire y por la liberación de calor del sistema de propulsión. Ambos fenómenos constituyen el proceso de interacción entre el medio (aire, gases de escape) y el aerodinámico sólido(avión, motor). El segundo fenómeno es típico de todas las aeronaves y está asociado a un aumento de la temperatura de los elementos estructurales del motor que reciben calor del aire comprimido en el compresor, así como de los productos de la combustión en la cámara y tubo de escape. Al volar a altas velocidades, el calentamiento interno de la aeronave también se produce por la desaceleración del aire en el canal de aire frente al compresor. Cuando se vuela a bajas velocidades, el aire que pasa a través del motor tiene una temperatura relativamente baja, como resultado de lo cual no se produce un calentamiento peligroso de los elementos estructurales del fuselaje. A altas velocidades de vuelo, el calentamiento de la estructura del fuselaje de los elementos calientes del motor está limitado por el enfriamiento adicional con aire a baja temperatura. Habitualmente se utiliza aire que se extrae de la toma de aire mediante una guía que separa la capa límite, así como aire captado de la atmósfera mediante tomas adicionales situadas en la superficie de la góndola del motor. En los motores de dos circuitos, el aire del circuito externo (frío) también se usa para enfriar.

Así, el nivel de la barrera térmica para aeronaves supersónicas está determinado por el calentamiento aerodinámico externo. La intensidad del calentamiento de la superficie que circula por el flujo de aire depende de la velocidad de vuelo. A bajas velocidades, este calentamiento es tan insignificante que el aumento de temperatura puede ignorarse. A alta velocidad, el flujo de aire tiene una energía cinética alta y, por lo tanto, el aumento de temperatura puede ser significativo. Esto también se aplica a la temperatura dentro de la aeronave, ya que el flujo de alta velocidad, estancado en la entrada de aire y comprimido en el compresor del motor, llega a ser tan alto que no puede eliminar el calor de las partes calientes del motor.

El aumento de la temperatura del revestimiento de la aeronave como consecuencia del calentamiento aerodinámico se debe a la viscosidad del aire que circula alrededor de la aeronave, así como a su compresión en las superficies frontales. Debido a la pérdida de velocidad de las partículas de aire en la capa límite como resultado de la fricción viscosa, la temperatura de toda la superficie aerodinámica de la aeronave aumenta. Sin embargo, como resultado de la compresión del aire, la temperatura aumenta solo localmente (principalmente la nariz del fuselaje, el parabrisas de la cabina y especialmente los bordes de ataque del ala y el plumaje), pero más a menudo alcanza valores que son inseguro para la estructura. En este caso, en algunos lugares hay una colisión casi directa del flujo de aire con la superficie y un frenado dinámico completo. De acuerdo con el principio de conservación de la energía, toda la energía cinética del flujo se convierte en calor y energía de presión. El aumento de temperatura correspondiente es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad del flujo antes de frenar (o, sin viento, al cuadrado de la velocidad del avión) e inversamente proporcional a la altitud de vuelo.

Teóricamente, si el flujo alrededor es constante, el clima es tranquilo y sin nubes, y no hay transferencia de calor por radiación, entonces el calor no penetra en la estructura y la temperatura de la piel está cerca de la llamada temperatura de estancamiento adiabático. Su dependencia del número de Mach (velocidad y altitud de vuelo) se da en la Tabla. 4.

En condiciones reales, el aumento de temperatura de la piel del avión por calentamiento aerodinámico, es decir, la diferencia entre la temperatura de estancamiento y la temperatura ambiente, resulta ser algo menor debido al intercambio de calor con el medio ambiente (mediante radiación), elementos estructurales vecinos, etc. Además, la desaceleración completa del flujo ocurre solo en los llamados puntos críticos ubicados en las partes sobresalientes de la aeronave, y la entrada de calor a la piel también depende de la naturaleza de la capa límite de aire (es más intenso para una capa límite turbulenta). También se produce una disminución significativa de la temperatura al volar a través de las nubes, especialmente cuando contienen gotas de agua sobreenfriada y cristales de hielo. Para tales condiciones de vuelo, se supone que la disminución de la temperatura de la piel en el punto crítico en comparación con la temperatura de estancamiento teórica puede alcanzar incluso el 20-40%.

Tabla 4. Dependencia de la temperatura de la piel en el número de Mach

Sin embargo, el calentamiento general de la aeronave en vuelo a velocidades supersónicas (especialmente a baja altitud) es a veces tan alto que un aumento en la temperatura de los elementos individuales de la estructura y el equipo conduce a su destrucción o, al menos, a la necesita cambiar el modo de vuelo. Por ejemplo, durante los estudios de la aeronave XB-70A en vuelos a altitudes de más de 21 000 m a una velocidad de M = 3, la temperatura de los bordes de ataque de la toma de aire y los bordes de ataque del ala fue de 580-605 K. , y el resto de la piel fue de 470-500 K. Consecuencias del aumento de la temperatura de los elementos estructurales de la aeronave Valores tan altos se pueden estimar completamente si tenemos en cuenta el hecho de que ya a temperaturas de alrededor de 370 K, vidrio orgánico, que se usa ampliamente para acristalar cabinas, se ablanda, el combustible hierve y el pegamento ordinario pierde su fuerza. A 400 K, la resistencia del duraluminio se reduce significativamente, a 500 K, se produce la descomposición química del fluido de trabajo en el sistema hidráulico y la destrucción de los sellos, a 800 K, las aleaciones de titanio pierden las propiedades mecánicas necesarias, a temperaturas superiores a 900 K, el aluminio y el magnesio se funden y el acero se ablanda. Un aumento de la temperatura también conduce a la destrucción de los recubrimientos, de los cuales se pueden utilizar anodizados y cromados hasta 570 K, niquelados hasta 650 K y plateados hasta 720 K.

Tras la aparición de este nuevo obstáculo en el aumento de la velocidad de vuelo, comenzaron las investigaciones para eliminarlo o mitigar sus consecuencias. Las formas de proteger la aeronave de los efectos del calentamiento aerodinámico están determinadas por factores que evitan el aumento de la temperatura. Además de la altitud de vuelo y las condiciones atmosféricas, el grado de calentamiento de la aeronave se ve significativamente afectado por:

es el coeficiente de conductividad térmica del material de revestimiento;

- el tamaño de la superficie (especialmente el frontal) de la aeronave; -tiempo de vuelo.

De ello se deduce que las formas más sencillas de reducir el calentamiento de la estructura son aumentar la altitud de vuelo y limitar su duración al mínimo. Estos métodos se utilizaron en los primeros aviones supersónicos (especialmente los experimentales). Debido a la conductividad térmica y la capacidad calorífica relativamente altas de los materiales utilizados para la fabricación de los elementos estructurales de la aeronave sometidos a esfuerzos térmicos, desde el momento en que la aeronave alcanza una alta velocidad hasta el momento en que los elementos estructurales individuales se calientan a la temperatura de diseño de la punto crítico, por lo general lleva bastante tiempo. gran momento. En vuelos de varios minutos (incluso a baja altura) no se alcanzan temperaturas destructivas. El vuelo a gran altura tiene lugar en condiciones de baja temperatura (alrededor de 250 K) y baja densidad del aire. Como resultado, la cantidad de calor desprendido por el flujo a las superficies de la aeronave es pequeña y el intercambio de calor lleva más tiempo, lo que mitiga en gran medida la gravedad del problema. Se obtiene un resultado similar limitando la velocidad de la aeronave a bajas altitudes. Por ejemplo, durante un vuelo sobre el suelo a una velocidad de 1600 km/h, la fuerza del duraluminio disminuye solo un 2%, y un aumento en la velocidad a 2400 km/h conduce a una disminución de su fuerza hasta en un 75%. en comparación con el valor inicial.

Arroz. 1.14. Distribución de temperatura en el conducto de aire y en el motor de la aeronave Concord durante el vuelo con M = 2,2 (a) y la temperatura del revestimiento de la aeronave XB-70A durante el vuelo a una velocidad constante de 3200 km/h (b).

Sin embargo, la necesidad de garantizar condiciones de operación seguras en todo el rango de velocidades y altitudes de vuelo utilizadas obliga a los diseñadores a buscar los medios técnicos adecuados. Dado que el calentamiento de los elementos estructurales de las aeronaves provoca una disminución de las propiedades mecánicas de los materiales, la aparición de tensiones térmicas en la estructura, así como el deterioro de las condiciones de trabajo de la tripulación y el equipo, tales medios técnicos utilizados en la práctica actual pueden dividirse en tres grupos. Incluyen, respectivamente, el uso de 1) materiales resistentes al calor, 2) soluciones de diseño que proporcionan el aislamiento térmico necesario y la deformación permitida de las piezas, y 3) sistemas de refrigeración para los compartimentos de la cabina y el equipo.

En aeronaves con una velocidad máxima de M = 2,0-1-2,2, se utilizan ampliamente aleaciones de aluminio (duraluminio), que se caracterizan por una resistencia relativamente alta, baja densidad y retención de propiedades de resistencia con un ligero aumento de la temperatura. Los durales suelen complementarse con acero o aleaciones de titanio, a partir de los cuales se fabrican las partes de la estructura del avión que están sujetas a las mayores cargas mecánicas o térmicas. Las aleaciones de titanio ya se usaban en la primera mitad de los años 50, al principio en una escala muy pequeña (ahora, los detalles de ellas pueden representar hasta el 30% del peso de la estructura del avión). En aviones experimentales con M ~ 3, se hace necesario utilizar aleaciones de acero resistentes al calor como material estructural principal. Dichos aceros conservan buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas típicas para vuelos a velocidades hipersónicas, pero sus desventajas son el alto costo y la alta densidad. Estas carencias limitan en cierto sentido el desarrollo de aviones de alta velocidad, por lo que también se investigan otros materiales.

En la década de 1970 se realizaron los primeros experimentos sobre el uso de berilio en la construcción de aeronaves, así como materiales compuestos a base de boro o fibras de carbono. Estos materiales todavía tienen un alto costo, pero al mismo tiempo se caracterizan por su baja densidad, alta resistencia y rigidez, así como por una importante resistencia al calor. En las descripciones de aeronaves individuales se dan ejemplos de aplicaciones específicas de estos materiales en la construcción del fuselaje.

Otro factor que afecta significativamente el rendimiento de una estructura de aeronave calentada es el efecto de las llamadas tensiones térmicas. Surgen como consecuencia de las diferencias de temperatura entre las superficies exterior e interior de los elementos, y especialmente entre el revestimiento y los elementos estructurales internos de la aeronave. El calentamiento de la superficie del fuselaje provoca la deformación de sus elementos. Por ejemplo, la deformación del revestimiento del ala puede ocurrir de tal manera que provoque un cambio en las características aerodinámicas. Por lo tanto, muchas aeronaves utilizan una piel multicapa soldada (a veces pegada), que se caracteriza por una alta rigidez y buenas propiedades aislantes, o se utilizan elementos estructurales internos con juntas de expansión apropiadas (por ejemplo, en el avión F-105, las paredes de larguero están hechas de chapa ondulada). También se conocen experimentos para enfriar el ala con combustible (por ejemplo, en el avión X-15) que fluye debajo de la piel en el camino desde el tanque hasta las boquillas de la cámara de combustión. Sin embargo, a altas temperaturas, el combustible generalmente sufre coquización, por lo que tales experimentos pueden considerarse infructuosos.

Ahora investigado varios métodos, incluida la aplicación de una capa aislante de materiales refractarios mediante proyección de plasma. Otros métodos considerados prometedores no han encontrado aplicación. Entre otras cosas, se propuso utilizar una "capa protectora" creada soplando gas sobre la piel, "sudando" el enfriamiento suministrando un líquido con una alta temperatura de evaporación a la superficie a través de la piel porosa, así como el enfriamiento creado por la fusión y arrastre de parte de la piel (materiales ablativos).

Una tarea bastante específica y al mismo tiempo muy importante es mantener la temperatura adecuada en la cabina y en los compartimentos de equipos (especialmente electrónicos), así como la temperatura de los sistemas de combustible e hidráulicos. En la actualidad, este problema se soluciona mediante el uso de sistemas de climatización, enfriamiento y refrigeración de alto rendimiento, un aislamiento térmico eficaz, el uso de fluidos hidráulicos con alta temperatura de evaporación, etc.

Los problemas asociados con la barrera térmica deben abordarse de manera integral. Cualquier avance en este ámbito empuja la barrera de este tipo de aeronaves hacia mayores velocidades de vuelo, sin excluirlo como tal. Sin embargo, el deseo de velocidades aún mayores conduce a la creación de estructuras y equipos aún más complejos que requieren el uso de mejores materiales. Esto tiene un efecto notable en el peso, el precio de compra y el costo de operación y mantenimiento de la aeronave.

De la mesa. 2 de estos aviones de combate muestra que, en la mayoría de los casos, la velocidad máxima de 2200-2600 km / h se consideró racional. Solo en algunos casos se cree que la velocidad de la aeronave debe exceder M ~ 3. Las aeronaves capaces de desarrollar tales velocidades incluyen las máquinas experimentales Kh-2, KhV-70A y T. 188, el reconocimiento SR-71 y el E -266 aviones.

1* La refrigeración es la transferencia forzada de calor de una fuente fría a un ambiente de alta temperatura con oposición artificial a la dirección natural del movimiento del calor (de un cuerpo caliente a uno frío cuando tiene lugar el proceso de enfriamiento). El refrigerador más simple es un refrigerador doméstico.

Cálculo preliminar de la superficie de calentamiento de la boquilla.

Q en \u003d V en * (i en // - i en /) * τ \u003d 232231.443 * (2160-111.3) * 0.7 \u003d 333.04 * 10 6 kJ / ciclo.

Diferencia de temperatura logarítmica media por ciclo.

Velocidad de los productos de combustión (humo) =2,1 m/s. Entonces la velocidad del aire en condiciones normales:

6,538 m/s

Temperaturas medias del aire y de los humos del período.

935 oC

680 oC

La temperatura promedio de la parte superior de la boquilla en los períodos de humo y aire.

Temperatura promedio de la punta por ciclo

La temperatura media de la parte inferior de la boquilla en los períodos de humo y aire:

Temperatura promedio del fondo de la boquilla por ciclo

Determinamos el valor de los coeficientes de transferencia de calor para la parte superior e inferior de la boquilla. Para la boquilla del tipo aceptado en un valor de 2240 18000 el valor de transferencia de calor por convección se determina a partir de la expresión Nu=0.0346*Re 0.8

La velocidad real del humo está determinada por la fórmula W d \u003d W a * (1 + βt d). La velocidad real del aire a la temperatura t in y la presión del aire p in \u003d 0.355 MN / m 2 (absoluto) está determinada por la fórmula

Donde 0.1013-MN / m 2 - presión en condiciones normales.

El valor de la viscosidad cinemática ν y el coeficiente de conductividad térmica λ para los productos de combustión se seleccionan de las tablas. Al mismo tiempo, tenemos en cuenta que el valor de λ depende muy poco de la presión, y a una presión de 0,355 MN/m 2 se pueden utilizar los valores de λ a una presión de 0,1013 MN/m 2. La viscosidad cinemática de los gases es inversamente proporcional a la presión, dividimos este valor de ν a una presión de 0,1013 MN/m 2 por la relación.

Longitud efectiva del haz para boquilla de bloque

= 0,0284m

Para esta boquilla m 2 / m 3; ν \u003d 0,7 m 3 / m 3; m2/m2.

Los cálculos se resumen en la tabla 3.1

Tabla 3.1 - Determinación de los coeficientes de transferencia de calor para la parte superior e inferior de la boquilla.

Nombre, valor y unidades de medida	Fórmula de cálculo	Pago por adelantado	Cálculo refinado
cima	fondo	cima	Fondo
humo	aire	humo	aire	aire	aire
Temperaturas medias del aire y de los humos para el período 0 C	Según el texto	1277,5		592,5		1026,7	355,56
Coeficiente de conductividad térmica de los productos de combustión y aire l 10 2 W / (mgrad)	Según el texto	13,405	8,101	7,444	5,15	8,18	5,19
Viscosidad cinemática de los productos de combustión y aire g 10 6 m 2 / s	Apéndice	236,5	52,6	92,079	18,12	53,19	18,28
Determinación del diámetro del canal d, m		0,031	0,031	0,031	0,031	0,031	0,031
Velocidad real del humo y del aire W m/s	Según el texto	11,927	8,768	6,65	4,257	8,712	4,213
Re
Nu	Según el texto	12,425	32,334	16,576	42,549	31,88	41,91
Coeficiente de transferencia de calor por convección a W / m 2 * grado		53,73	84,5	39,804	70,69	84,15	70,226
		0,027	-	0,045	-	-	-
		1,005	-	1,055	-	-	-
Coeficiente de transferencia de calor radiante a p W / m 2 * grado		13,56	-	5,042	-	-	-
a W / m 2 * grado		67,29	84,5	44,846	70,69	84,15	70,226

La capacidad calorífica y la conductividad térmica de las boquillas de ladrillo l se calculan mediante las fórmulas:

C, kJ / (kg * grados) l , W / (m grados)

Dinas 0.875+38.5*10 -5 *t 1.58+38.4*10 -5 t

Arcilla refractaria 0,869 + 41,9 * 10 -5 * t 1,04 + 15,1 * 10 -5 t

El medio espesor equivalente de un ladrillo está determinado por la fórmula

milímetro

Tabla 3.2 - Cantidades físicas del material y el coeficiente de acumulación de calor para la mitad superior e inferior de la boquilla regenerativa

Nombre de los tamaños	Fórmula de cálculo	Pago por adelantado	Cálculo refinado
		cima	fondo	cima	Fondo
dinas	arcilla refractaria	dinas	arcilla refractaria
Temperatura media, 0 С	Según el texto	1143,75	471,25	1152,1	474,03
Densidad aparente, r kg / m 3	Según el texto
Coeficiente de conductividad térmica l W/(mgrad)	Según el texto	2,019	1,111	2,022	1,111
Capacidad calorífica С, kJ/(kg*deg)	Según el texto	1,315	1,066	1,318	1,067
Difusividad térmica a, m 2 / hora		0,0027	0,0018	0,0027	0,0018
F 0 S		21,704	14,59	21,68	14,58
Coeficiente de acumulación de calor h a		0,942	0,916	0,942	0,916

Como se desprende de la tabla, el valor de h a >, es decir, los ladrillos se utilizan térmicamente en todo su espesor. De acuerdo con lo compilado anteriormente, aceptamos el valor del coeficiente de histéresis térmica para la parte superior de la boquilla x=2.3, para la parte inferior x=5.1.

Luego, el coeficiente de transferencia de calor total se calcula mediante la fórmula:

para la parte superior de la boquilla

58.025 kJ / (m 2 ciclo * grado)

para la parte inferior de la boquilla

60.454 kJ / (m 2 ciclo * grado)

Promedio para la boquilla en su conjunto

59.239 kJ / (m 2 ciclo * grado)

Superficie de calentamiento de la boquilla

22093.13 m2